(57)【要約】  タービン用のフラッタ制御システムは、プロセッサを含む。プロセッサは、タービンのブレードフラッタを検出するように構成される。ブレードフラッタは、タービンのブレードが公称動作位置とは異なる偏向位置にあることを示す。プロセッサは、タービンの信頼性および効率を改善するために、ブレードフラッタを低減または除去するタービンの動作パラメータを制御するように構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１２）用のフラッタ制御システム（２６）であって、
プロセッサ（５４，６０）を含み、前記プロセッサ（５４，６０）は、
タービン（１２）のブレードフラッタを検出し、前記ブレードフラッタは、前記タービン（１２）のブレード（７８）が公称動作位置とは異なる偏向位置にあることを示し、
前記タービン（１２）の信頼性および効率を改善するために、前記ブレードフラッタを低減または除去する前記タービン（１２）の動作パラメータを制御するように構成される、フラッタ制御システム（２６）。
【請求項２】
前記ブレードフラッタは、前記タービン（１２）を動作させる第１のしきい値と関連付けられ、前記ブレードフラッタを補償することによって、前記ブレード（７８）が前記第１のしきい値よりも大きい第２のしきい値で動作することが可能になる、請求項１に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項３】
前記第１および第２のしきい値は、第１および第２のタービン（１２）動作限界に関連付けられる、請求項２に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項４】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記タービン（１２）の前記ブレード（７８）の寿命モデル（１５２）に基づいて前記第２のしきい値を調整するように構成される、請求項２に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項５】
前記寿命モデル（１５２）は、前記ブレード（７８）の残りの寿命に関連付けられ、前記残りの寿命は、前記第２のしきい値に影響を及ぼす、請求項４に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項６】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記ブレード（７８）のうちの少なくとも１つのブレード（７８）の位置を示す１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）からの信号にアクセスするように構成され、前記プロセッサ（５４，６０）は、前記位置に基づいて前記少なくとも１つのブレード（７８）が不正な偏向位置にあるかどうかを判定する、請求項１に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項７】
前記プロセッサ（５４，６０）は、圧力、温度、振動、またはそれらの任意の組み合わせの設定に基づいて前記ブレードフラッタを推定するように構成される、請求項１に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項８】
前記プロセッサ（５４，６０）は、すべてのブレード（７８）の偏向信号のデジタル信号処理解析を実行することによって前記ブレードフラッタを検出するように構成される、請求項１に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項９】
前記動作パラメータは、圧力、温度、振動、燃料、酸化剤、またはこれらの任意の組み合わせの設定を含み、前記ブレードフラッタを低減または除去するように制御される、請求項１に記載のフラッタ制御システム（２６）。
【請求項１０】
システム（１０）であって、
タービン（１２）の１つまたは複数のブレード（７８）の位置を示す信号を検出するように構成された１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）と、
プロセッサ（５４，６０）を含む制御システムと、を含み、前記プロセッサ（５４，６０）は、
前記位置に基づいてタービン（１２）の１つまたは複数のブレード（７８）のブレードフラッタを検出し、前記ブレードフラッタは、前記１つまたは複数のブレード（７８）が不正な偏向位置にあることを示し、
前記タービン（１２）の信頼性および効率を改善するために、前記ブレードフラッタを低減または除去する前記タービン（１２）の１つまたは複数の動作パラメータを制御するように構成される、システム（１０）。
【請求項１１】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）のうちの１つのセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）における、前記１つまたは複数のブレード（７８）のうちの２つのブレード（７８）の到着時刻の間の間隔を決定するように構成される、請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１２】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）のうちの２つのセンサの各々に対する前記１つまたは複数のブレード（７８）のうちの１つのブレード（７８）の到着時刻の間の間隔を決定するように構成される、請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１３】
前記１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）の各センサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）に対する前記到着時刻の間の間隔は、前記ブレードフラッタが発生したかまたは発生しているかを判定するために利用される、請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１４】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記ブレードフラッタが発生したかまたは発生しているかを判定するために、節直径を計算するように構成され、前記節直径は、前記信号の位相周波数ピークと、前記１つまたは複数のセンサ（２８，３２，３６，４０，４４，４６，８８）の１つまたは複数のセンサ位置の間の物理的角度と、に基づく、請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１５】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記タービン（１２）のロータ（１８）の速度にアクセスするように構成され、前記プロセッサ（５４，６０）は、前記ブレードフラッタが発生したかまたは発生しているかを判定するために、前記ロータ（１８）の前記速度に前記節直径を乗じるように構成される、請求項１４に記載のシステム（１０）。
【請求項１６】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記１つまたは複数のブレード（７８）のブレード（７８）振動周波数に基づいてブレードフラッタを検出するように構成される、請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１７】
ガスタービン（１２）の制御システム（１０）によって実行されるように構成された命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、
前記ガスタービン（１２）の１つまたは複数のブレード（７８）のブレードフラッタを検出し、前記ブレードフラッタは、前記１つまたは複数のブレード（７８）が公称動作位置とは異なる不正な偏向位置にあることを示し、
前記タービン（１２）の信頼性および効率を改善するために、ブレードフラッタを低減または除去する前記ガスタービン（１２）の１つまたは複数の動作パラメータを制御する命令を含む、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記ブレードフラッタは、前記ガスタービン（１２）を動作させる第１のしきい値と関連付けられ、前記ブレードフラッタを補償することによって、前記ガスタービン（１２）が前記第１のしきい値よりも大きい第２のしきい値で動作することが可能になる、請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
前記第１および第２のしきい値は、それぞれ第１および第２の動作限界に関連付けられる、請求項１８に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記プロセッサ（５４，６０）は、前記１つまたは複数のブレード（７８）の残りの寿命に関連する寿命モデル（１５２）に基づいて前記第２のしきい値を調整するように構成される、請求項１８に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、タービンに関し、より詳細には、ブレードフラッタを監視および／または制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
しばしば、タービンは、燃料の燃焼から回転エネルギーを生成するために使用される。例えば、ガスタービンエンジンは、燃料と空気との混合物を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスは１つまたは複数のタービン段を駆動する。高温の燃焼ガスはタービンブレードを強制的に回転させ、それによってシャフトを駆動して車両または発電機などの１つまたは複数の負荷を回転させる。発電機は、住宅用、産業用、または任意の他の適切な目的に使用される電力を供給するために送電網に接続されてもよい。
【０００３】
ガスタービンが回転するにつれて、ブレードが回転する際にブレードが所望の動作位置に配置されることが望ましい。しかし、ガスタービンの様々な動作パラメータに依存して、特定の周波数では、ブレードは、それぞれの動作位置からブレードフラッタなどの不正な位置に偏向されることがある。ブレードフラッタは、システムの速度、効率、構成要素、および寿命に１つまたは複数の悪影響を及ぼし得る様々な問題を引き起こす可能性がある。これは、特に設計コストの削減と効率改善について、タービンの設計および動作を制約する。前述の理由から、ガスタービンシステムのブレードフラッタに対処する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１１９７０６号
【発明の概要】
【０００５】
出願時の特許請求の範囲に記載される開示と範囲において同等である特定の実施形態が、以下に要約される。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載される開示の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示について考えられる形態の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本開示は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
【０００６】
第１の実施形態では、タービン用のフラッタ制御システムは、プロセッサを含み、プロセッサは、タービンのブレードフラッタを検出するように構成され、ブレードフラッタは、タービンのブレードが公称動作位置とは異なる偏向位置にあることを示し、タービンの信頼性および効率を改善するために、ブレードフラッタを低減または除去するタービンの動作パラメータを制御するように構成される。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、タービンの１つまたは複数のブレードの位置を示す信号を検出するように構成された１つまたは複数のセンサと、プロセッサを含む制御システムと、を含み、プロセッサは、位置に基づいてタービンの１つまたは複数のブレードのブレードフラッタを検出し、ブレードフラッタは、１つまたは複数のブレードが不正な偏向位置にあることを示し、タービンの信頼性および効率を改善するために、ブレードフラッタを低減または除去するタービンの１つまたは複数の動作パラメータを制御するように構成される。
【０００８】
第３の実施形態では、ガスタービンの制御システムによって実行されるように構成された命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、命令は、ガスタービンの１つまたは複数のブレードのブレードフラッタを検出し、ブレードフラッタは、１つまたは複数のブレードが公称動作位置とは異なる不正な偏向位置にあることを示し、タービンの信頼性および効率を改善するために、ブレードフラッタを低減または除去するガスタービンの１つまたは複数の動作パラメータを制御する命令を含む。
【０００９】
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】フラッタ制御システムを有するガスタービンシステムの一実施形態の概略図である。
【図２】ガスタービンシステムのロータを監視する図１のフラッタ制御システムの一実施形態の概略図である。
【図３】図１のフラッタ制御システムによって実行されるプロセスの一実施形態の流れ図である。
【図４】図１のフラッタ制御システムの入力および／または出力の一実施形態の概略図である。
【図５】図１のフラッタ制御システムのパラメータの一実施形態の一組のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下で、本開示の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態に関する簡潔な説明を提供するために、実際の実装態様に関するすべての特徴について本明細書に説明するわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることを理解されたい。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。
【００１２】
本開示の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つまたは複数存在することを意味することを意図する。「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含であるように意図され、列挙された構成要素以外のさらなる構成要素が存在してもよいことを意味する。
【００１３】
本明細書に記載のシステムおよび方法は、ガスタービンシステムにおけるブレードのフラッタを監視および／または制御することを可能にする。ガスタービンの出力が増加するにつれて、タービンは１つまたは複数の動作限界に達する可能性がある。タービンがこれらの限界に達すると、出力がさらに増加してブレードフラッタが生じることがある。ブレードがブレードの公称位置（例えば、設計されたまたは予期された位置）から偏向されるとブレードフラッタが発生する可能性があり、タービンシステムの効率、寿命および／または構成要素に１つまたは複数の悪影響を与える場合がある。
【００１４】
したがって、フラッタ制御システムを使用して、ブレードフラッタを低減または除去することができる。フラッタ制御システムは、タービンのロータの１つまたは複数のブレードの位置（例えば、角度、位置）を検出するための１つまたは複数のセンサを含むことができる。フラッタ制御システムは、位置を示す１つまたは複数のセンサからの信号にアクセスし、１つまたは複数のブレードが公称位置とは異なる偏向位置にあるかどうかを判定することができる。信号がブレードフラッタが発生したか、発生しているか、または発生しそうであることを示す場合には、フラッタ制御システムは、タービンフラッタを低減および／または除去するためにタービンの１つまたは複数の特性を制御して入力を変更することができる。ブレードフラッタを低減および／または除去することにより、フラッタ制御システムは、制御システムがブレードフラッタを低減および／または除去しない場合よりも高いしきい値（例えば、より高い負荷条件）でガスタービンを動作させることができる。例えば、出力がブレードフラッタによって制約されないので、より高いタービン出力を達成することができる。ブレードフラッタを低減および／または除去することにより、フラッタ制御システムは、極端な事象に対する機械的設計マージンを低減させることができ、それによってブレードフラッタによる動作限界に起因して従来不可能であった新しい設計を可能にする。さらに、フラッタ制御システムは、ブレードフラッタを監視することによって、システムの機器、部品または構成要素の信頼性および寿命サイクルを向上させることができる。例えば、タービンのブレードは、ブレードフラッタの減少によって、より長い寿命サイクルを有することができる。
【００１５】
図面を参照すると、図１は、ガスタービン１２を有する発電システム１０の一例である。本明細書では、ガスタービン１２が使用されるが、本明細書に記載のシステム１０に適したブレードを有する任意のタービン、例えば蒸気タービンなどを使用してもよい。ガスタービン１２は、空気、圧縮空気、天然ガス、シンガス、バイオディーゼル、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの燃料１４および酸化剤１６を用いて回転エネルギーを発生させることができる。酸化剤１６は、圧縮機で圧縮されてもよく、および／またはガスタービン１２の燃料と混合されてもよい。次いで、酸化剤燃料混合物は、燃焼器内で燃焼（例えば、点火、燃焼）されてもよい。酸化剤１６および燃料１４の燃焼は、タービン１２のロータ１８を回転させることができる。ロータ１８は、酸化剤１６および燃料１４の燃焼から発生する圧力によって回転する１つまたは複数のロータブレード２０を含むことができる。ロータ１８は、１つまたは複数の負荷２４に回転エネルギーを提供するために使用されるシャフト２２に結合されてもよい。１つまたは複数の負荷２４は、送電網、移動航空機、またはエネルギーを受け取るのに適した他の負荷に電力を供給するための発電機を含むことができる。
【００１６】
発電システム１０は、タービン１２の様々な動作を監視し制御する１つまたは複数の制御システムを含むことができる。例えば、発電システム１０は、ロータ１８および／またはロータ１８のブレード２０に関連する動作パラメータを監視および／または制御するための１つまたは複数のセンサおよび／または制御部を有するフラッタ制御システム２６を含むことができる。例えば、フラッタ制御システム２６は、燃料１４の供給を制御および／または監視するための１つまたは複数のセンサ２８および／または制御部３０（例えば、アクチュエータ）を含むことができる。同様に、システム２６は、酸化剤１６の供給を制御および／または監視するための１つまたは複数のセンサ３２および／または制御部３４を含むことができる。フラッタ制御システム２６はまた、温度、速度、振動、および／または圧力などの様々なタービンパラメータを監視および／または制御するための１つまたは複数のセンサ３６および／または制御部３８を含むことができる。さらに、１つまたは複数のセンサ３６からのデータを使用して、ブレードフラッタを推定することができる。同様に、ガスタービン１２のロータ１８は、周波数、回転速度、振動、温度、圧力に関連するロータパラメータ（例えば、ブレードに影響を及ぼす）を監視および／または制御するための１つまたは複数のセンサ４０および／または制御部４２を含むことができる。理解されるように、センサ４０からのデータは、ブレード２０のブレードフラッタを検出および／または監視するためにさらに使用することができる。別の例として、タービン１２のシャフト２２は、シャフト２２の回転を監視するための１つまたは複数のセンサ４４を含むことができる。さらに別の例として、負荷２４は、電力需要、効率などの負荷２４の様々な態様を監視するための１つまたは複数のセンサ４６を含むことができる。
【００１７】
フラッタ制御システム２６は、センサ２８、３２、３６、４０、４４、４６および／または制御部３０、３４、３８、４２のうちの１つもしくは複数から信号を受信し、および／またはこれらに信号を送信することができる。フラッタ制御システム２６は、信号からデータを取得し、プロセッサ５４もしくは複数のプロセッサおよびメモリ５６によりデータを処理するデータ収集（ＤＡＱ）および／またはデジタル信号処理（ＤＳＰ）システム５２を含むことができる。フラッタ制御システム２６はまた、タービンの様々な態様を処理および制御するタービンコントローラ５８を含むことができる。例えば、タービンコントローラ５８は、プロセッサ６０もしくは複数のプロセッサおよびメモリ６２を含むことができる。
【００１８】
プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、メモリ５６、６２に動作可能に結合され、本開示の技術を実行するための命令を実行するように構成されてもよい。これらの命令は、メモリ５６、６２および／または他の記憶装置などの有形の非一時的コンピュータ可読媒体に格納されるプログラムまたはコードに符号化することができる。１つまたは複数のプロセッサ５４、６０は、汎用プロセッサ（例えば、デスクトップ／ラップトップコンピュータのプロセッサ）、システムオンチップ（ＳｏＣ）デバイス、または特定用途向け集積回路、または他のいくつかのプロセッサ構成を含むことができる。メモリ５６、６２は、これらに限られるわけではないが、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ならびに／あるいはプロセッサ５４、６０による命令および／またはデータの格納、取り出し、および／または実行を可能にする任意の適切な記憶装置、などのコンピュータ可読媒体を含む。メモリ５６、６２は、１つもしくは複数のローカルおよび／またはリモートの記憶装置を含むことができる。フラッタ制御システム２６は、センサおよび／または制御部からのデータを監視し制御するための多種多様な入力および／または出力６４（すなわちＩ／Ｏ）を含むことができる。ＤＡＱおよびＤＳＰシステム５２は、タービンコントローラ５８とは別個のユニットとして示されているが、このシステムは、符号６６で示されるように、単一のシステムに結合され統合されてもよい。システム２６、５２の処理は、プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数によって共用されてもよく、同じプロセッサによって実行されてもよく、ロータ１８および／またはロータ１８のブレード２０の制御などの、発電システム１０の監視および制御を提供する任意の適切な方法によって実行されてもよい。
【００１９】
フラッタ制御システム２６は、タービン１２の１つまたは複数の特性を制御して、ブレードフラッタを低減および／または除去することができる。図２は、図１の発電システム１０のロータ１８のためのフラッタ制御システム２６の一実施形態の図である。ロータ１８は、１つまたは複数のブレード７８を含むことができる。ロータ１８の１つまたは複数の部分は、回転エネルギーを提供するために（例えば、時計回りまたは反時計回りの方向に）回転することができる。例えば、ロータ１８のブレード７８は時計方向７９に回転することができる。ブレード７８の１つまたは複数は、ロータ１８が回転するときに動作位置に配置することができる。１つのブレード７８の動作位置は、ブレード７８が特定の時点にあると予想される公称位置であってもよい。例えば、ブレード７８の各々が回転すると、１つまたは複数のブレード７８の各々は、ロータ１８の特定の角度、場所、または位置にあると予想することができる。
【００２０】
様々な理由から、１つまたは複数のブレード７８は、公称位置から偏向する場合があり、それはシステム１０の効率、寿命、および構成要素に１つまたは複数の悪影響を及ぼすことがある。例えば、１つまたは複数のブレード７８は、振動、圧力、または他の力により偏向することがある。図２に示すように、ロータ１８のブレード７８は、システム１０の振動により偏向位置８０にある。例えば、ブレード振動周波数は、ロータ１８の速度または負荷２４が増加するにつれて増加することがあり、そのため、偏向したブレード位置８０は、公称位置８２とは異なる位置にあり得る。偏向距離は、検出に適した任意の距離であってもよい。例えば、図２に示す偏向距離８４は数センチメートルであってもよく、本明細書に記載された１つまたは複数の悪影響を引き起こすのに十分な大きさであってもよい。
【００２１】
偏向したブレード位置８０を示す様々な動作パラメータを検出するために、１つまたは複数のセンサを使用することができる。例えば、センサ４０（例えば、プローブ）は、磁気センサ、光学圧力センサ、静電容量センサ、および／または他の振動センサであってもよい。図２に関する例ではセンサを使用しているが、センサは単に一例として使用されており、ブレードの偏向が発生したか、発生しているか、または発生しそうであるかを検出するために任意の適切な方法を使用することができる。例えば、他の実施形態は、タービンの速度に基づいて統計的パターンによりブレードの偏向を検出してもよく、そうでなければ、直接的な測定を使用せずに間接的にブレードの偏向を識別してもよい。
【００２２】
図２に関して、センサ４０は、１つまたは複数のブレード７８が、ある時点における角度、位置、または距離にあるかどうかを検出することができる。一実施形態では、フラッタ制御システム２６のプロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、センサ４０によって（例えば、特定のブレード７８のブレードが最も近くにあるときに）到着する２つのブレード７８の到着時刻の間の間隔を決定することができる。あるいはおよび／またはさらに、プロセッサ５４、６０は、センサ４０と別のセンサ８８との間のブレード到着時刻の間の間隔を決定することができる。例えば、図２のグラフ９０は、センサ４０および／または他のセンサ８８によって受信され得る信号の時刻９４に関する、前述のセンサ（例えば、磁気センサ、光学圧力センサ、静電容量センサ、および／または他の振動センサ）の１つまたは複数からの信号の振幅９２を示す。グラフ９０は視覚的に示されているが、グラフに表される信号は、１つまたは複数のプロセッサ５４、６０によって処理され、オペレータに視覚的に表示されることなく、本明細書に記載のフラッタ制御システム２６によって使用される。さらに、グラフ９０は、センサ４０、センサ８８、またはその両方の組み合わせからの信号を含むことができる。例えば、公称位置にあるブレードは、ピーク９６でセンサ４０に到達することができる。時間が経過すると（例えば、タイムライン９７によって示されるように）、ブレード７８は、偏向したブレード位置８０を有するものとして検出することができる（例えば、ブレード７８が公称位置にある場合よりも遅いおよび／またはより早い時刻にブレード７８が到着することができる）。例えば、偏向したブレード位置８０は、所望の公称ピーク１００の代わりに遅延したピーク９８の時点でセンサ４０で検出され得る（例えば、センサに最も近い点を通過する）。さらに別の例として、第１のピーク９６は、ブレード７８が第１のセンサ４０に到着するとき（例えば、ブレード７８が偏向位置に来る前）を示し、第２のピーク９８は、ブレード７８が第２のセンサ８８に到着するとき（例えば、ブレード７８が偏向位置にある後）を示すことができる。タイムライン９７は、ミリ秒またはマイクロ秒の時間などの、ブレードフラッタが発生し始める前の時間を表すために含まれる。
【００２３】
１つまたは複数のプロセッサ５４、６０は、１つまたは複数のセンサ４０、８８からのデータを処理して、センサによって検出されたブレードの周波数が偏向したブレード位置８０を示すことを決定するために使用されてもよい。以下に説明するプロセスは、フラッタ制御システム２６のメモリ５６、６２に格納され、プロセッサ５４、６０による命令（例えば、実行コード）として実行される。１つまたは複数のプロセッサ５４、６０は、パルスピークの到着時刻（ＴＯＡ）を決定することができる（ブロック１０２）。ＴＯＡおよびパルスピークは、１つまたは複数のブレード７８が偏向位置８０にあるかどうかを判定するために使用することができる（ブロック１０４）。一実施形態では、１つまたは複数のプロセッサ５４、６０は、ブレード偏向を検出するためにフーリエ変換解析（例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析）を実行することができる（ブロック１０６）。ブレード７８が公称位置で動作していたかどうかに関連するピークのＴＯＡと比較して、ピークが非同期である場合には、プロセッサ５４、６０はブレードフラッタを識別することができる。例えば、グラフ９０に示すように、ピーク９８は、ピーク１００の予想されるＴＯＡと比較して非同期である。上述したように、センサを使用しなくてもよいし、１つのセンサ、または２つ以上のセンサを使用してもよい。センサが使用される場合には、プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数を使用して、ピーク周波数をブレード７８の固有モードと照合することができる（ブロック１１０）。あるいは、および／またはさらに、２つ以上のセンサが使用される場合には、プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、センサ測定値間のピーク周波数の位相差を計算することができる。例えば、節直径ｎは、軸回転（例えば、ロータ１８の回転）におけるブレード振動サイクルとして定義することができる。φ１およびφ２はブロック１０６におけるＦＦＴ解析からの周波数ピークであり、θ１およびθ２はセンサ位置の物理的な角度（例えば、センサの円周方向の位置）であり、プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、節直径は次式に基づいて計算することができる。
【００２４】
【数１】
2019502052.tif 000003
節直径は、次式のようなブレード振動周波数ω回転を決定する式においてプロセッサ５４、６０の１つまたは複数によって使用することができる。
【００２５】
ω定常＝ω回転±ｎΩ    式（２）
ω定常は測定された信号周波数であり、Ωはロータ１８の速度または周波数である。ω定常は、１つのブレードが２つのセンサを通過する間の時間間隔および／または１つのセンサを２つのブレードが通過する間の時間間隔によって得ることができる。次に、ブレード振動周波数を使用して、ブレードフラッタが発生したか、発生しているか、または発生しそうであるかを判定することができる。
【００２６】
ブレード７８が回転するにつれて、フラッタ制御システム２６を、ブレードフラッタを低減および／または除去するプロセスにおいて使用することができる。図３は、ブレードフラッタを低減および／または除去するようにガスタービンシステムの特性を制御するためにフラッタ制御システム２６によって実行されるプロセス１２４である。以下に説明するプロセスは、フラッタ制御システム２６のメモリ５６、６２に格納され、プロセッサ５４、６０による命令（例えば、実行コード）として実行される。プロセス１２４は、１つまたは複数のセンサ４０、８８を介して発電システム１０（ブロック１２６）の１つまたは複数の動作パラメータを監視することによって開始することができる（ブロック１２８）。センサ４０、８８は、データを取得するために使用されるＤＡＱシステム（ブロック１３０）に信号を提供することができる。取得された信号は、次に、ブレードフラッタ監視のための信号を処理するＤＳＰシステムによって処理することができる（ブロック１３２）。ＤＡＱおよびＤＳＰシステムは、図３において別個のシステムおよび／またはプロセスとして示されているが、システムは、図１の符号６６によって示されるように組み合わされてもよい。ブレードフラッタが発生したか、発生しているか、または発生しそうであるかを示す１つまたは複数の信号をタービンコントローラ（ブロック１３４）に送信することができる。ブレードフラッタが発生したか、発生しているか、または発生しそうである場合には、タービンコントローラ（ブロック１３４）は、ブレードフラッタに基づいて１つまたは複数の特性を制御する（ブロック１３６）ためにタービンの制御部に１つまたは複数の信号を送信する。タービンコントローラ（ブロック１３４）は、入力およびタービンコントローラ（ブロック１３４）によって受信された信号に応じて、ガスタービン１２の様々な出力を制御することができる。
【００２７】
図４は、検出されたブレードフラッタに基づいてタービン１２の特性を制御するために使用される入力および出力の例である。フラッタ制御システム２６は、圧力１４６、温度１４８、速度、周囲条件などのタービン１２の１つまたは複数の特性を示す１つまたは複数の信号を受信する。プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、ブレードフラッタを示すブレード振動１５０などの振動の信号も取得することができる。ブレード振動１５０のデータは、ブレードの予想寿命に基づいてブレードフラッタ制御を適合させるブレード寿命モデル１５２に送ることができる。すなわち、ブレード内に残っている寿命の長さを用いて、ブレードフラッタ制御システム２６のしきい値（例えば、境界）を適合させることができる。さらに、プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、ブレード振動データに基づいてブレード寿命モデル１５２を更新することができる。次いで、ブレードフラッタ制御システム２６は、入力を処理し、ブレードフラッタが発生したか、発生しているか、または発生しそうであるかを判定することができる。プロセッサ５４、６０のうちの１つまたは複数は、入力圧力１４６、温度１４８およびタービン動作マップ１５６に基づいて発電システム１０の１つまたは複数の動作パラメータをどのように調整するかを決定して、システム１０がフラッタ境界１７６内で動作するように制御し、システムがより良いシステム効率で動作するように維持する。これは一例にすぎず、発電システム１０の動作パラメータを制御（増加、減少、制限、除去など）することが望ましいことを決定するために、任意のモデル、パターン、またはデータを使用することができることに留意されたい。動作パラメータ制御は、システム１０の１つまたは複数の構成要素に出力することができる。例えば、圧縮機１５８、燃焼器１６４、タービン１６０、および／または負荷１６２の態様を制御することができる。これらの動作パラメータを制御し、フラッタを低減することにより、フラッタ制御システム２６は、発電システム１０が設計上のしきい値を超えて動作することを可能にすることができる。
【００２８】
図５は、開示されたフラッタ制御システムの利点を示す一組のグラフである。第１のグラフ１７２は時間に対する効率を示す。フラッタ制御システム２６は、ガスタービン１２が増加したしきい値で動作することを可能にすることができる。通常、ブレードフラッタが考慮されない場合には、発電システム１０は、発電システム１０の機械設計によって制限された効率で動作することができる。すなわち、システム１０は、超過した場合には、ブレードフラッタなどの悪影響の可能性が増大し得る第１のしきい値（例えば、機械的境界１７４）で動作することができる。従来の設計では、オペレータはシステムの出力を第１のしきい値に制限して、保守を必要とするかもしれない悪影響を防ぐことができる。フラッタ制御システム２６では、発電システム１０が、第１のしきい値よりも高い効率に関連付けられる第２のしきい値（例えば、フラッタ境界１７６）で動作することが可能になり得る。第２のしきい値は、発電システム１０が増加した動作負荷で動作することを可能にし、より少ない燃料を使用し、またはより多くのエネルギーをより効率的に生成することを可能にする。言い換えれば、フラッタ検出で動作することにより、発電システム１０は、フラッタ検出システムのないガスタービンと比較してより効率的に動作することができる。さらに、機械設計内にフラッタ検出制御部を統合することにより、ブレードフラッタなどの極端な事象に対する機械設計マージンを低減させることができ、従来の機械的限界を超えた設計が可能になる。さらに、発電システム１０の構成要素の信頼性および寿命サイクルを、フラッタ監視によって向上させることができる。例えば、ブレード７８は、ブレードフラッタを制御することによって、長い寿命サイクルで動作することができる。
【００２９】
第２のグラフ１８０は、発電システム１０の効率に関する設計コストを示す。第２のグラフ１８０に示すように、ブレードフラッタ制御システム２６は、第１のしきい値よりも高い効率に関連する第２のしきい値で動作することによって、発電システム１０が設計コストを低減して高い効率で動作することを可能にする。
【００３０】
本開示の技術的効果は、ブレードフラッタに対してガスタービンシステムを制御することを含む。システムは、ガスタービンの動作パラメータ、例えば圧力、温度およびブレード振動などを検出する１つまたは複数のセンサを含むことができる。これらの検出された動作パラメータに基づいて、ブレードフラッタ制御システムは、タービンの１つまたは複数のブレードが、予想される位置とは異なる偏向位置で動作していると判定することができる。次いでブレードフラッタ制御システムは、１つまたは複数の信号を出力して、ガスタービンシステムの１つまたは複数のパラメータを制御することができる。
【００３１】
この明細書は、本開示を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本開示を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００３２】
１０  発電システム
１２  ガスタービン
１４  燃料
１６  酸化剤
１８  ロータ
２０  ロータブレード
２２  シャフト
２４  負荷
２６  フラッタ制御システム
２８  センサ
３０  制御部
３２  センサ
３４  制御部
３６  センサ
３８  制御部
４０  センサ
４２  制御部
４４  センサ
４６  センサ
５２  データ収集（ＤＡＱ）および／またはデジタル信号処理（ＤＳＰ）システム
５４  プロセッサ
５６  メモリ
５８  タービンコントローラ
６０  プロセッサ
６２  メモリ
６４  出力
６６  符号
７８  ブレード
７９  時計方向
８０  偏向したブレード位置
８２  公称位置
８４  偏向距離
８８  センサ
９０  グラフ
９２  振幅
９６  第１のピーク
９７  タイムライン
９８  第２のピーク
１００  公称ピーク
１０２  ブロック
１０４  ブロック
１０６  ブロック
１１０  ブロック
１２４  プロセス
１２６  ブロック
１２８  ブロック
１３０  ブロック
１３２  ブロック
１３４  ブロック
１３６  ブロック
１４６  圧力
１４８  温度
１５０  ブレード振動
１５２  ブレード寿命モデル
１５６  タービン動作マップ
１５８  圧縮機
１６０  タービン
１６２  負荷
１６４  燃焼器
１７２  第１のグラフ
１７４  機械的境界
１７６  フラッタ境界
１８０  第２のグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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